礦井“一通三防”智能管控系統研究

王振平，閆振國，岳 寧，王偉峰，肖 旸

（1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2.陜西未來能源化工有限公司 金雞灘煤礦，陜西 榆林719000）

我國礦山地質條件復雜多變，礦井通風是安全生產的基礎，是防治瓦斯、火災、粉塵最直接有效的手段。礦井通風主要是利用機械通風的方法持續的向井下運輸新鮮空氣，保證人員呼吸的同時稀釋并帶出有毒有害氣體和浮塵，達到改善礦井環境的目的，良好的通風條件有利于保障礦井安全生產，是災害防治的基礎。在當今大環境下，礦井朝著機械化、智能化方向發展，但礦井通風依然處于人工或半人工操作的狀態，不足以支撐礦井智能化的建設[1-6]，礦井通風災害預警與智能化調控能力明顯不足，災害得不到及時有效地控制。國家8 部委下發有關意見提出利用現代化的智能手段，建立起全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的智能系統，實現煤礦智能化運行。一直以來，科技工作者們都在對礦井智能通風開展廣泛的研究。1980 年，常心坦[7]赴美留學期間，開發的MFire 至今仍在美國礦業界廣泛沿用，回國后將WebGIS 運用到礦井通風系統中，實現了礦井通風系統圖的繪制、最佳避災救災路線的選擇與瓦斯、煤塵爆炸的預測；1990 年，劉澤功[8]運用計算機輔助分析礦井通風系統，通過計算機分析通風系統發生故障的原因與位置，提出運用計算機模擬和仿真技術分析事故的方法；之后，周平等[9]以蔣莊煤礦為研究對象，實現了礦井通風管理系統的可視化；倪景峰等[10]以金川二礦區防塵系統為依托，設計出了礦井通風系統可視化程序。綜上所述，取得的這些成就促進了礦井智能通風的巨大進展。目前“一通三防”在礦井智能化應用的形式多樣[11-13]，雖在一定程度上達到了智能化，但“一通三防”各系統大都獨立運轉，對數據匯集的過程中幾乎都會采用書面形式進行記錄，不僅效率低、偏差大，還使得這些數據難以得到有效利用，為災害的發生留下了隱患。為此，響應國家有關規定，建立起一套信息實時收集、融合分析、規律提取、科學決策的礦井“一通三防”智能管控體系就顯得非常有必要。

1 “一通三防”智能管控體系

礦井“一通三防”智能化建設總體思路如圖1。

圖1 礦井一通三防智能化建設總體思路圖Fig.1 The general idea of intelligent construction of mine“one ventilation three prevention”

在礦井現有通風系統基礎上，應用現代計算機智能算法與控制技術，實現“一通三防”管理的科學化、智能化，使其具備防災、抗災、減災能力。以“系統可靠、裝備先進、管理科學、決策智能”為目標，“平戰結合”為理念，實現以下3 個能力：①在日常的通風管理中，使礦井通風系統一直保持在合理狀態，具備防災能力；②在災害尚未形成時期，能早期識別災變信息、預測預警并迅速處理，將隱患消除在萌芽中，具備抗災能力；③在災變期為災害控制提供科學合理的決策方案，具備減災能力。

結合礦井實際情況，基于礦井安全風險數據鏈與知識鏈（數據說話+智能提升），礦井“一通三防”智能化技術研究與建設重點體現在：1 個平臺，5 大系統。1 個平臺，即礦井“一通三防”綜合智能管控平臺，是“一通三防”數據采集、分析、共享中心，各系統在平臺中獲取信息，達到智能管理、控制和決策的目的。5 大系統：通風網絡智能優化分析與輔助決策系統；粉塵監測預警與智能管控系統；瓦斯分析預警與智能管控系統；煤自燃監測預警與智能管控系統；外因火災監測預警與智能管控系統。

2 系統設計

2.1 礦井“一通三防”綜合智能管控平臺

“一通三防”管控智能平臺主要內容如圖2。

圖2 “一通三防”管控智能平臺Fig.2 Intelligent platform of“one-ventilation and three-prevention”

該平臺是由5 個系統集合而成，它是“一通三防”數據的采集、分析以及共享中心。該平臺建立了4A（AnyOne、AnyTime、AnyWhere、AnyDevice）式煤礦通風安全生產管理新模式和通風安全管理評價，提處理業務的時效性，實現“一通三防”管控的智能化。

1）“一通三防”數據云管家系統。通過該系統可以實現相關系統的數據接入、技術資料云管理以及資料(數據)的上傳，實現各個系統之間的數據共享和高效的數據統計分析，為煤礦安全生產資料的日常管理提供便利，確保數據資料的及時更新。

2）多源數據融合與云計算中心。數據多元信息融合系統架構如圖3。為了更好地利用5 個系統產生的數據信息，平臺搭載了多源數據融合與云計算中心。通過云端數據的融合，深度挖掘數據之間的耦合關系，分析并提取其中蘊含的規律，精準預測、識別并分析災害征兆。其中的多元信息融合數據庫主要是針對礦井“一通三防”災害的智能分析與判別，通過“一通三防”的有關理論將數據信息轉變為輔助決策信息，以圖、表、曲線等圖形化的表達方式直觀展現，為礦井人員安全疏散和救援提供智能化決策支持。在整個礦井“一通三防”綜合智能管控平臺中，云計算中心就如同中樞神經一般連接著各個系統，彼此間能實現縱向貫通和橫向關聯，形成統一的整體。

圖3 數據多元信息融合系統架構圖Fig.3 Architecture diagram of data multiple information fusion system

3）通防安全態勢可視化實時分析子系統。該系統借助綜合智能管控平臺可以有效地整合礦井“一通三防”信息，挖掘其中內在的關聯價值，通過明確的評價指標和評價模式形成以配置規則及評分規則為核心的煤礦動態評價指標體系，對煤礦的安全生產狀態進行評價，實現分析數據和評價結果的形象、直觀和具體化，實時的反應煤礦的安全態勢。

4）智能控制系統。該系統主要控制主要通風機、局部通風機以及風門、風窗，實現控制地區無人值守，節省井下的人力物力。其優勢在于可實現實時的故障診斷和工況檢測，把監測到的信息分析并推送到綜合智能管控平臺，地面人員通過平臺可實時了解井下動態，遠程控制風門及風窗的運行狀態，智能調節礦井通風量，保持井下通風的穩定，或者根據礦井下的狀態，按照井下實時的風量需求供風。若井下發生災害，操作人員可以遠程控制設備的啟停，降低災害帶來的風險。

2.2 礦井通風網絡智能優化分析與輔助決策系統

礦井通風是安全生產的基石，該系統立足于礦井通風管控需求與現實技術水平，在有效感知現場“一通三防”態勢的基礎上，實現礦井通風數據的實時跟蹤分析、規律提取、科學預警、日常管控、系統抗災能力分析與輔助決策等功能，實現礦井通風系統高效精準的智能調控。

結合井下巷道的物理參數、具體環境與通風機的運行狀態，運用風網智能動態解算算法，建立起礦井通風系統精確的數字化模型。采用多組合傳感器同時空感知技術，實時在線監測井下瓦斯、風壓、風速、風量等有關通風數據，通過識別和分析數據，確定井下通風是否處于正常狀態。若井下通風處于非正常狀態，系統會結合通風機的運行工況進行優化調整形成最佳解決方案。

2.3 礦井粉塵智能管控系統

該系統基于礦井現有工業以太網，針對井下各塵源點粉塵實時高精度檢測預報，智能傳感集控，在電腦終端和移動端形成實時同步的可視化動態更新，實現礦井粉塵濃度智能監測。根據粉塵濃度實時監測、結果分析、上傳及超限自動預警，與噴霧除塵裝置形成聯動控制、智能除塵和遠程集中控制。

2.4 瓦斯分析預警與智能管控系統

結合礦井瓦斯涌出特點，構建基于礦井用風點的安全分區，將通風與瓦斯異常有機融合，對監測區域的安全環境狀態進行分析。根據現有的風向、風速、風量、溫濕度、甲烷、氧氣、一氧化碳、二氧化碳、氣壓、壓差等環境監測傳感器數據，研究重點場所區域內氣流場計算與預警算法；研究重點場所內甲烷、氧氣等重點指標氣體的實時監測、分布擴散特征及模型；建立重點場所各精細化安全分區區域環境監測安全評價模型，實現礦井通風瓦斯智能分析預警與管理。

2.5 煤自燃監測預警與智能管控系統

結合礦井煤自燃監測系統現狀，建立煤自燃危險程度分級預警模型，研發煤自燃監測預警與智能管控系統，構建采空區煤自燃危險區域早期隱患識別、判定和主動防控的技術體系，實現對煤自燃的主動監測和超前預防。

2.6 礦井外因火災監測預警與智能管控系統

針對礦井變電所等機電設備硐室電氣火災監測預警與聯動控制存在的問題，建立火災煙氣流動的區域羽流模型和煙氣在巷道網絡中運動的非穩態模型，模擬火災煙氣在巷道網絡的擴散規律，研發礦井電氣火災監測預警與智能管控系統軟件，主要包括：礦井電氣火災無線煙氣監測預警子系統、礦井電氣火災紅外熱像監測預警子系統、礦井膠帶火災視頻智能識別子系統、礦井電氣火災自動滅火子系統，實現電氣設備場所易燃區域的煙氣參數、紅外熱像和視頻圖像智能監測、分析，進行智能預測、預警及聯動控制。

3 結 語

提出了礦井“一通三防”智能管控體系，研發了礦井“一通三防”智能管控系統，采用人工智能、物聯網、大數據等技術手段，實現礦井“一通三防”各系統之間的數據共享與智能聯動，通過礦井“一通三防”智能化管控平臺與通風多參數精確檢測裝備，實現對通風、瓦斯、煤塵、防滅火數據的實時動態監測及分析決策，真正做到“一通三防”一體化、智能化，進一步提高礦井“一通三防”的科學化管理水平。